Специалисты Института химии нефти СО РАН (Томск) создали высокоэффективные металлсодержащие катализаторы на основе оксида алюминия с добавлением марганца и бора, обеспечивающие высокий выход пропилена из пропана в результате его дегидрирования и значительное снижение образования побочных продуктов.
«Многие современные катализаторы создаются на основе благородных дорогостоящих металлов — платины и палладия. Цель нашей работы — разработать отечественные, доступные по своему компонентному составу катализаторы на основе активной формы оксида алюминия с добавлением различных металлов — лантана, марганца, а также производных фосфора и бора, способных увеличить выход пропилена и уменьшить формирование коксоподобных продуктов уплотнения, которые дезактивируют катализаторы и препятствуют дальнейшему их использованию», — рассказал научный сотрудник лаборатории каталитической переработки легких углеводородов Института химии нефти СО РАН кандидат химических наук Антон Александрович Восмериков.
Каталитическое дегидрирование пропана представляет собой достаточно простую химическую реакцию — это отрыв водорода от молекулы пропана с образованием пропилена. Однако вместе с образованием ценного сырья для производства целого ряда востребованных химических продуктов одновременно происходит образование побочных продуктов — кокса, метана, этана и ароматических углеводородов. Чтобы этого не происходило, необходимо ввести в катализатор активную добавку. С ее помощью можно повысить степень превращения пропана, а также селективность образования пропилена — избирательно увеличить скорость протекания нужной реакции при наличии нескольких побочных, что позволит получить большее количество пропилена за единицу времени.
В ходе работы над проектом научная группы выявила оптимальные методы нанесения различных компонентов на поверхность носителя (оксид алюминия γ-Al2O3) – пропитка и ионный обмен.
«При использовании метода пропитки мы добавляли металлический компонент к оксиду алюминия, выпаривали его при температуре 100 ℃ на водяной бане, потом образец сушили и прокаливали в муфельной печи при температуре 550 ℃. В случае с ионным обменом всё происходило внутри стеклянной колбы: в течение двух часов на водяной бане при 100 ℃ реакционная смесь кипела, при этом образующиеся пары конденсировались в специальном холодильнике, и жидкость стекала опять в колбу, затем полученная смесь фильтровалась и сушилась», — объяснил Антон Восмериков.
Получившийся после этих процедур катализатор был готов к использованию в процессе дегидрирования пропана. Далее ученые проверили, насколько стабильно работает катализатор в течение цикла продолжительностью 12 часов и готов ли он выдерживать несколько таких циклов при проведении его регенерации. Выполненные исследования показали, что правильно подобранные модифицирующие добавки к катализатору позволяют существенно повлиять на направление протекания процесса превращения пропана.
«Наилучшие результаты продемонстрировали катализаторы с добавкой марганца и бора. При введении в катализатор марганца выход ценного мономера увеличивался на 7 % по сравнению с исходным образцом из оксида алюминия. Кроме этого, при температуре реакции 600 °С селективность образования пропилена на этом катализаторе достигала 64,4 %. При использовании в качестве добавки к оксиду алюминия бора селективность образования пропилена возрастала до 70 %», — подытожил ученый.
До конца работы над проектом по разработке эффективных отечественных катализаторов нового поколения ученым еще предстоит провести ряд экспериментов, связанных с использованием фосфора и лантана в качестве металлических добавок к катализаторам, а также оптимизировать условия окислительной регенерации катализаторов, что очень важно для восстановления их первоначальных каталитических свойств после рабочего цикла и последующего использования в этом процессе.
Проект реализуется в рамках гранта РНФ (№ 24-23-00386).
Ольга Булгакова, ТНЦ СО РАН
Фото Петра Каминского
